學(xué)習(xí)進(jìn)階下的物理課堂建模能力培養(yǎng)實(shí)踐

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［摘要］建模能力教學(xué)要求發(fā)展學(xué)生建模能力，引導(dǎo)他們對(duì)知識(shí)進(jìn)行解釋、驗(yàn)證，創(chuàng)建模型來(lái)展開(kāi)科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。物理模型方法是物理學(xué)中最常見(jiàn)的科研方法，建立模型能力是高中生必備的一項(xiàng)能力。作為一名高中物理教師，在日常教學(xué)中要注重課堂教學(xué)，有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生的建模能力，使他們能夠適應(yīng)當(dāng)前的物理學(xué)習(xí)，把所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于日常生活之中，服務(wù)于生活。

［關(guān)鍵詞］學(xué)習(xí)進(jìn)階；高中物理；建模能力

物理建模能力是對(duì)運(yùn)用物理知識(shí)解決問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，也是解決物理問(wèn)題的策略。實(shí)際上，科學(xué)的基本活動(dòng)就是探索和制定模型，建模對(duì)物理的發(fā)展起到了推動(dòng)作用，因此，建模能力是高中生物理能力的一項(xiàng)核心能力。鑒于此，本文探討了基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的高中物理課堂建模能力培養(yǎng)實(shí)踐，希望對(duì)大家有所幫助。

一、建模能力的內(nèi)涵

在20世紀(jì)八十年代，美國(guó)學(xué)者提出科學(xué)建模理論，受到人們的廣泛關(guān)注。建模能力是指針對(duì)某個(gè)自然現(xiàn)象抽象得到主要特征，根據(jù)科學(xué)來(lái)構(gòu)建概念模型，用科學(xué)語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行表征。物理建模能力是學(xué)生要具備的一項(xiàng)重要能力，但當(dāng)前高中生卻普遍存在著建模能力較弱的問(wèn)題，有的人甚至覺(jué)得物理題拆開(kāi)每一句話都知道是什么意思，但是合起來(lái)就很難懂，這其實(shí)體現(xiàn)出建模能力的不足。因此，高中物理教師要重視在日常教學(xué)中滲透建模思想和方法，發(fā)展個(gè)體建模能力。

二、建模教學(xué)的進(jìn)階

在建模過(guò)程中，學(xué)生要經(jīng)歷“問(wèn)題情境→建構(gòu)模型→分析模型→應(yīng)用模型→評(píng)估模型→修正模型”這一系列的階段，要對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行整合，這就要經(jīng)歷復(fù)雜心理和思維過(guò)程，從而形成有效的學(xué)習(xí)路徑。借助于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，教師對(duì)建模進(jìn)行整合，在課堂上引導(dǎo)學(xué)生探究某一主題，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中展開(kāi)依次進(jìn)階、逐級(jí)深化的思考。在學(xué)習(xí)進(jìn)階的統(tǒng)領(lǐng)下，學(xué)生認(rèn)知更加符合邏輯，進(jìn)而形成物理學(xué)科良好的教學(xué)邏輯，實(shí)現(xiàn)學(xué)生科學(xué)思維能力的進(jìn)階發(fā)展，得到正確模型，最終探究找到問(wèn)題答案。在我看來(lái)，建模教學(xué)的進(jìn)階模型呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)：（1）學(xué)生先要面對(duì)問(wèn)題情境，通過(guò)類(lèi)比、猜想等方法來(lái)初步構(gòu)建模型；（2）在初步模型基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，根據(jù)題干材料來(lái)應(yīng)用模型解決所遇到的問(wèn)題；（3）在解決完遇到的問(wèn)題后，學(xué)生要評(píng)估是否合適，是否還需再修正模型；（4）在問(wèn)題情境背景下，學(xué)生把模型再進(jìn)行對(duì)比來(lái)判斷是否吻合，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，如果不吻合再重復(fù)上述建模過(guò)程。

三、科學(xué)建模的教學(xué)實(shí)踐與反思

（一）創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境問(wèn)題情境能夠激發(fā)學(xué)生進(jìn)行思考，使他們對(duì)知識(shí)展開(kāi)體驗(yàn)，從而快速進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)。在本節(jié)課中，我創(chuàng)設(shè)了問(wèn)題情境1：拿出一個(gè)重50g的鉤碼，在上端系上一條寬5mm的紙帶，要求班級(jí)學(xué)生不使用任何工具來(lái)把紙帶拉斷。有的學(xué)生拿起紙帶快速上拉，有的則采取其他運(yùn)動(dòng)方式。此處，教師引導(dǎo)他們進(jìn)行思考：在紙帶快速上拉時(shí)為何會(huì)斷裂。緊接著，我引出問(wèn)題情境2：各小組拿出事先準(zhǔn)備好的體重計(jì)，4個(gè)人一組，體驗(yàn)并記錄小組成員在“下蹲—起立”過(guò)程中體重計(jì)示數(shù)如何進(jìn)行變化，把觀察到的數(shù)據(jù)記錄在表格之中。在體重計(jì)上所顯示的示數(shù)稱(chēng)為視重（所受壓力的大小），人的實(shí)際重力為實(shí)重。在體驗(yàn)完后，學(xué)生總結(jié)得到超重（視重＞實(shí)重）與失重（視重＜實(shí)重）的定義。

（二）建構(gòu)物理模型在初步了解問(wèn)題情境后，學(xué)生要學(xué)會(huì)探索物理現(xiàn)象來(lái)揭示其中蘊(yùn)含的規(guī)律，將其應(yīng)用于生活實(shí)際之中，對(duì)知識(shí)產(chǎn)生探究樂(lè)趣，形成實(shí)踐能力。此時(shí)，學(xué)生要從實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)現(xiàn)象抽象出物理元素，進(jìn)而建構(gòu)物理模型，發(fā)展自身科學(xué)素養(yǎng)與綜合能力。在填寫(xiě)完上述表格后，學(xué)生在小組內(nèi)進(jìn)行討論，初步概括得出失重、超重出現(xiàn)的原因。在經(jīng)歷小組交流后，學(xué)生初步建構(gòu)物理模型，認(rèn)為：物體具有向上加速度時(shí)產(chǎn)生超重現(xiàn)象，物體具有向下加速度時(shí)產(chǎn)生失重現(xiàn)象。在討論過(guò)程中，學(xué)生初步建構(gòu)起物理模型對(duì)知識(shí)展開(kāi)研究，進(jìn)行深度思考。

（三）分析物理模型在提出假設(shè)和結(jié)論后，學(xué)生要認(rèn)真分析物理模型，思考問(wèn)題背后的物理本質(zhì)，進(jìn)行理論分析來(lái)深度思考。學(xué)生要進(jìn)行分析，即為何在超重現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)會(huì)有向上的加速度？為何在具有向下加速度時(shí)會(huì)產(chǎn)生失重現(xiàn)象？學(xué)生進(jìn)行小組討論，在完成后，教師邀請(qǐng)學(xué)生代表上臺(tái)講解，學(xué)生畫(huà)出物體受力示意圖，除受到重力外，還有垂直方向的加速度，當(dāng)物體受到向下加速度時(shí)，得到合力FN=mg-ma。根據(jù)公式，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)向下加速度大小a=g時(shí)，支持力或壓力為0，這是一種完全失重的特例。同理，可得物體向上時(shí)加速度分析的過(guò)程。學(xué)生在分析過(guò)程中難免會(huì)遇到這樣或那樣的錯(cuò)誤，教師要結(jié)合他們的錯(cuò)誤來(lái)進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)，有效提升學(xué)生思考的質(zhì)量和效率。

（四）應(yīng)用物理模型物理來(lái)源于生活，應(yīng)用于生活。在掌握和理解物理模型后，教師要引導(dǎo)學(xué)生思考和應(yīng)用物理模型，在掌握模型的基礎(chǔ)上來(lái)展開(kāi)應(yīng)用。學(xué)生在引導(dǎo)下思考和回憶坐電梯的經(jīng)歷，電梯在向上走時(shí)會(huì)有什么感覺(jué)？用剛才學(xué)過(guò)的知識(shí)來(lái)嘗試解答。學(xué)生回憶坐電梯，分析得到以下結(jié)論：開(kāi)始向上時(shí)，電梯和人從靜止向上加速、再勻速、最后減速到0。加速度方向：先向上、中間勻速階段速度為0、最后階段向下。在整個(gè)電梯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，人一開(kāi)始會(huì)感覺(jué)兩只腳比較“沉”，到后面階段會(huì)感覺(jué)到兩只腳比較“輕”。

（五）評(píng)估建立模型在學(xué)會(huì)知識(shí)應(yīng)用后，教師引導(dǎo)學(xué)生思考剛開(kāi)始的問(wèn)題情境：為何紙帶在迅速向上提升鉤碼時(shí)會(huì)斷裂？是否能用其他方式來(lái)使紙帶快速斷掉？學(xué)生運(yùn)用超重模型來(lái)思考答案，發(fā)現(xiàn)當(dāng)向上快速拉動(dòng)紙帶時(shí)加速度變大，紙帶所受的拉力也會(huì)增大。向下做減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速度方向向上，紙帶所受的拉力增大。在小組討論完成后，有的學(xué)生應(yīng)用向下拉動(dòng)紙帶，在某個(gè)時(shí)刻突然停止，紙帶發(fā)生斷裂。在問(wèn)題引導(dǎo)下，學(xué)生應(yīng)用剛剛建立的模型，有效理解和掌握了物理模型。

（六）修正物理模型在理解了超重、失重的定義后，有學(xué)生會(huì)提出這樣的疑問(wèn)，即出現(xiàn)超重、失重狀態(tài)時(shí)，物體運(yùn)動(dòng)方向是否一定垂直呢？為了解答這一疑惑，也為了使他們加深對(duì)本節(jié)課知識(shí)點(diǎn)的理解，我設(shè)計(jì)了以下情境：購(gòu)物超市都有自動(dòng)運(yùn)送人的扶梯，如果沒(méi)有人的話會(huì)處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)一個(gè)質(zhì)量為m的人剛站上去時(shí)，斜梯以加速度a向上運(yùn)動(dòng)，如果斜梯與水平面的夾角為θ，那么，嘗試計(jì)算人對(duì)扶梯的壓力是多少？學(xué)生畫(huà)出人的受力情況圖，結(jié)合圖來(lái)計(jì)算人對(duì)扶梯的壓力大小，即FN=mg+masinθ，進(jìn)而得到力大于人受到的重力。結(jié)合超重的概念，人在上述問(wèn)題情境中依然處于超重狀態(tài)，這就需要來(lái)糾正模型。在獨(dú)立思考和小組討論后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)物體處于超重狀態(tài)時(shí)加速度方向可以垂直或斜向上，物體處于失重狀態(tài)時(shí)加速度方向可以垂直或斜向下。針對(duì)學(xué)生質(zhì)疑的情況，教師提出問(wèn)題情境引導(dǎo)他們進(jìn)一步深入探究，能夠有效發(fā)展探究能力，促進(jìn)個(gè)體水平的提升?；趯W(xué)習(xí)進(jìn)階的高中物理課堂建模能力培養(yǎng)教學(xué)實(shí)踐很好地體現(xiàn)了建模教學(xué)的整個(gè)過(guò)程，對(duì)概念的構(gòu)建、物理規(guī)律的應(yīng)用、生活問(wèn)題的解決都有著很重要的指導(dǎo)意義。在教學(xué)過(guò)程中，教師要注重物理模型的建構(gòu)，使學(xué)生在建構(gòu)、應(yīng)用等探究環(huán)節(jié)來(lái)內(nèi)化、優(yōu)化模型，從而形成獨(dú)具特色的高中物理教學(xué)方法，促進(jìn)學(xué)生建模能力的發(fā)展，促使每個(gè)人在學(xué)習(xí)中都有所收獲，提升課堂學(xué)習(xí)的專(zhuān)業(yè)能力。

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作者：黃月勇 單位：廣東省廣州市增城區(qū)派潭中學(xué)